李 喆， 江 媛， 姜禮杰， 黃 文， 舒樂(lè)時(shí)， 梅勇兵， 李建斌, *

(1. 中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢(xún)中心， 北京 100088； 2. 中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016；3. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 廣東 深圳 518060； 4. 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074; 5. 中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家重大工程如南水北調(diào)、西部大開(kāi)發(fā)、西氣東輸、川藏鐵路等相繼開(kāi)工，城市軌道交通、地下空間開(kāi)發(fā)和跨區(qū)域交通不斷推進(jìn)，中國(guó)的隧道和地下工程修建規(guī)模和難度均為世界最大[1]。截至2020年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬(wàn)km，其中，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km[2]；截至2019年底中國(guó)已建公路隧道累計(jì)19 067座，總里程1 896.66萬(wàn)km，與2009年底的總里程相比，增長(zhǎng)了381.14%[3]；截至2020年底，我國(guó)共修建245條水下隧道[4]。

在城市發(fā)展進(jìn)程中，全世界都在尋求更多的城市空間。地鐵、地下停車(chē)場(chǎng)、綜合管廊等城市地下工程的開(kāi)發(fā)利用,是人類(lèi)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的重要途經(jīng)[5]?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)城市地下空間建設(shè)量顯著增長(zhǎng)，年均增速達(dá)到20%以上，約60%的現(xiàn)狀地下空間為“十二五”時(shí)期建設(shè)完成[6]。“十三五”階段，以軌道交通和綜合管廊為主導(dǎo)的地下交通和市政設(shè)施的建設(shè)規(guī)模、建設(shè)水平及工程運(yùn)維等已趕超世界。

我國(guó)在隧道和城市地下工程的開(kāi)發(fā)技術(shù)和裝備領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成就。經(jīng)過(guò)20年的持續(xù)攻關(guān)，我國(guó)的盾構(gòu)及其施工工法已從“跟跑”發(fā)展到“并跑”，部分技術(shù)已經(jīng)躋身世界前列。自主設(shè)計(jì)制造的土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、全斷面非圓盾構(gòu)以及全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)在國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了決定性作用。然而，我國(guó)在隧道和地下工程領(lǐng)域仍然面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，山嶺隧道和穿江越海隧道的施工難度顯著增大，大埋深、大斷面、高地應(yīng)力、多破碎帶、高地溫、高瓦斯及高水壓等復(fù)雜條件隧道越來(lái)越多，亟需開(kāi)展新一代開(kāi)發(fā)技術(shù)和裝備的發(fā)展戰(zhàn)略研究。

本文結(jié)合我國(guó)隧道和地下工程施工技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題，研究隧道和地下工程施工技術(shù)及裝備的中長(zhǎng)期發(fā)展方向、核心和短板技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，并提出相關(guān)發(fā)展建議。

1 我國(guó)隧道和地下工程施工技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

1.1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

近30年來(lái)，大量隧道和地下工程項(xiàng)目的建設(shè)，為多種施工方法的應(yīng)用提供了廣闊的舞臺(tái)。建設(shè)過(guò)程廣泛吸納了世界各國(guó)先進(jìn)的建設(shè)理念、方法和技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，取得一系列針對(duì)我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的技術(shù)創(chuàng)新和突破[7]。例如： 地鐵盾構(gòu)隧道工法、近接施工安全控制等技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步；頂管技術(shù)、非開(kāi)挖技術(shù)和水下沉管技術(shù)等取得積極進(jìn)展；地層位移和變形控制技術(shù)引領(lǐng)全球；水下沉管隧道技術(shù)、大斷面頂管技術(shù)等領(lǐng)先世界[8]；在軟巖大變形控制技術(shù)、瓦斯隧道施工通風(fēng)技術(shù)、大斷面盾構(gòu)施工技術(shù)、隧道全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工技術(shù)等方面也處于世界先進(jìn)水平[8]。大量新技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，提升了我國(guó)隧道和地下工程建設(shè)的地質(zhì)適應(yīng)能力和施工效率。

1.1.2 存在的問(wèn)題

隨著隧道和地下工程開(kāi)發(fā)不斷朝著“深、大、長(zhǎng)”方向發(fā)展，地質(zhì)環(huán)境亦趨于復(fù)雜，高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯、高水壓等引起的突發(fā)性工程災(zāi)害和重大惡性事故頻發(fā)，現(xiàn)有技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)計(jì)算理論體系不完善，復(fù)雜地質(zhì)條件下特深綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造技術(shù)體系亟需完善[9]。此外，還面臨著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1)深層地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論不完善。對(duì)于山嶺隧道和穿江越海隧道，隨著開(kāi)挖深度不斷增加，圍巖變形及穩(wěn)定性控制難度也急劇增加。深層土與淺層土的賦存環(huán)境和力學(xué)性態(tài)存在顯著差異，現(xiàn)有的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論已不適用于“高水壓、高應(yīng)力、災(zāi)變難預(yù)測(cè)”的深層環(huán)境。

2)復(fù)雜環(huán)境與極端地質(zhì)下施工困難。復(fù)雜地質(zhì)條件，如高地應(yīng)力、高烈度震區(qū)、高地?zé)帷⒏咴瓗r溶、深大活動(dòng)斷裂帶等，帶來(lái)巖爆、突涌水、軟巖大變形等，導(dǎo)致施工困難。

3)超大斷面隧道支護(hù)難。超大斷面導(dǎo)致隧道掘進(jìn)效率、圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性、管片拼接、隧道密封和抗浮能力等的控制難度迅速增加。

4)超長(zhǎng)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)高。超長(zhǎng)隧道導(dǎo)致地質(zhì)測(cè)量、掘進(jìn)、抗震、通風(fēng)、運(yùn)輸、安全救援等問(wèn)題的難度陡增，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

5)城市地下工程的安全開(kāi)發(fā)利用難。城市地下工程的安全開(kāi)發(fā)利用需要城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土體特性、地下水類(lèi)型及分布和地質(zhì)災(zāi)害等方面的信息[10-11]。我國(guó)城市地下工程建設(shè)面臨的復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題包括復(fù)雜周邊環(huán)境下近接施工的擾動(dòng)控制、城市深部地下工程勘察精度不足以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工、地下水的控制與保護(hù)[12]、軟土地區(qū)的地基處理和長(zhǎng)期沉降控制[13]、活動(dòng)斷層及地裂縫[14]、復(fù)雜多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)、卵礫石的開(kāi)挖穩(wěn)定性[15]、上軟下硬地層的開(kāi)挖與擾動(dòng)控制[16]等。

1.2 施工裝備發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

隧道和地下工程建設(shè)高端裝備是重大民生、戰(zhàn)略工程的保障，更是衡量國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。目前，盾構(gòu)已經(jīng)成為“入地”的高端地下工程裝備代表，且在地下空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)推動(dòng)下，已經(jīng)取得了巨大的成就[1]。經(jīng)過(guò)十幾年的引進(jìn)和再創(chuàng)新，我國(guó)的盾構(gòu)與TBM自主制造技術(shù)已經(jīng)取得了驕人的成果。我國(guó)的盾構(gòu)制造技術(shù)已經(jīng)躋身世界前列，土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、硬巖掘進(jìn)機(jī)和軟土異形盾構(gòu)在國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用。中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)掘進(jìn)機(jī)分會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)量為610臺(tái)，且2015—2020年連續(xù)5年每年增長(zhǎng)20%左右，一躍成為全球最大的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)國(guó)和最大市場(chǎng)。

1.2.2 存在的問(wèn)題

我國(guó)在隧道和地下工程裝備方面已經(jīng)取得了重大突破，但極端環(huán)境下的盾構(gòu)仍屬于“無(wú)人區(qū)”；在異形全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)方面，我國(guó)研制的軟巖異形掘進(jìn)設(shè)備已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，但針對(duì)工程占比最多的異形巖石掘進(jìn)設(shè)備仍屬于“技術(shù)空白”，具體表現(xiàn)為以下幾方面。

1)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)有盾構(gòu)不適應(yīng)問(wèn)題。山嶺隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下，尚無(wú)高安全、高可靠、高效率的施工裝備；海底隧道施工環(huán)境下，現(xiàn)有裝備適應(yīng)能力不足。穿江越海隧道工程呈現(xiàn)出“高水壓、長(zhǎng)距離、大直徑”的特點(diǎn)，在穿越海底溝谷、風(fēng)化深槽、活動(dòng)斷裂帶、強(qiáng)地震帶和生態(tài)敏感區(qū)時(shí)，極易造成重大災(zāi)難。

2)異形全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域空白。目前，幾乎所有的鐵路和公路隧道均為非圓形斷面，馬蹄形掘進(jìn)工法能夠最大程度提高隧道空間利用率，較圓形截面減少15%的開(kāi)挖面積，而城市地下工程多為矩形截面，但異形全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)由于技術(shù)難度大，仍屬世界空白。

3)隧道和地下工程施工裝備智能化程度不足。目前，國(guó)內(nèi)外均在大力促進(jìn)隧道和地下工程施工裝備的信息化、智能化，但由于缺乏足夠的工程大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分散、數(shù)據(jù)格式不一等不利因素影響，且地下工程種類(lèi)繁多，工程業(yè)主廣泛，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，存在信息“孤島”和信息“流失”現(xiàn)象，地下工程裝備仍以人工操作為主。

4)核心關(guān)鍵零部件“受制于人”。主軸承、減速機(jī)、大排量液壓泵是盾構(gòu)的3大核心部件，目前還主要依賴(lài)進(jìn)口；土壓探測(cè)與傳感裝置是控制盾構(gòu)姿態(tài)和地表沉降的關(guān)鍵部件，也基本依賴(lài)進(jìn)口。

2 我國(guó)隧道和地下工程施工技術(shù)與裝備發(fā)展方向

2.1 我國(guó)隧道和地下工程施工技術(shù)發(fā)展方向

2.1.1 中長(zhǎng)期發(fā)展方向

1)綠色施工技術(shù)。綠色循環(huán)、低碳發(fā)展，是當(dāng)今時(shí)代科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的方向，是最有前途的發(fā)展領(lǐng)域。我國(guó)工程建設(shè)在這方面的潛力相當(dāng)大，可以形成很多新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。綠色施工技術(shù)應(yīng)著眼于建筑全生命周期，在保證工程質(zhì)量和安全的前提下，通過(guò)科學(xué)管理和技術(shù)進(jìn)步，在工程建造過(guò)程中最大限度地節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。建筑的綠色性能和綠色施工，助推生態(tài)文明建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到工程項(xiàng)目全生命周期的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益最大化。以綠色發(fā)展為主線(xiàn)，全面深入地推動(dòng)綠色施工技術(shù)、裝配式建筑的實(shí)踐，是我國(guó)隧道和地下工程施工技術(shù)的發(fā)展方向之一。

2)信息化、數(shù)字化技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、各類(lèi)算法的出現(xiàn)及其越來(lái)越簡(jiǎn)便的應(yīng)用，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究方向主要集中在利用各種算法來(lái)簡(jiǎn)化各類(lèi)設(shè)計(jì)。巖土工程領(lǐng)域有諸多方面都可以與人工智能算法和技術(shù)相結(jié)合，如利用人工智能算法可大量簡(jiǎn)化冗雜重復(fù)的計(jì)算過(guò)程[17]，將新的隧道圖像不加注釋地發(fā)送到分割網(wǎng)絡(luò)中，使用分割網(wǎng)絡(luò)完成裂縫的分割，提取裂縫，分析并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。數(shù)字化技術(shù)在巖土工程中得到初步應(yīng)用，例如： 無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、三維激光掃描、光纖傳感等監(jiān)測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于大型巖土工程中；大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、GIS配合AI建立監(jiān)測(cè)+管理系統(tǒng)，可對(duì)工程進(jìn)行全過(guò)程管理并及時(shí)反饋；BIM、VR技術(shù)、人工智能(AI)開(kāi)始用于復(fù)雜工程的項(xiàng)目管理。但目前數(shù)字化智能技術(shù)在隧道和地下工程的應(yīng)用中，存在技術(shù)間融合不夠、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)不足及系統(tǒng)性平臺(tái)缺失等問(wèn)題[18]，將數(shù)字化技術(shù)與地下空間開(kāi)發(fā)相融合是未來(lái)智能建造的發(fā)展趨勢(shì)。

3)復(fù)雜條件下超長(zhǎng)隧道施工技術(shù)。目前及今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，隧道及地下工程建設(shè)普遍面臨埋深大、隧道長(zhǎng)、修建難度大的問(wèn)題,且面臨高地震烈度、高地應(yīng)力、高落差、高地溫、強(qiáng)活動(dòng)斷層等技術(shù)挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)此等復(fù)雜隧道，應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)隔離消能技術(shù)，在初期支護(hù)和二次襯砌之間回填柔性材料，盡可能地將地層蠕變和地震引起的突變位移吸收消化在初期支護(hù)和中間的緩沖層上，從而不影響二次襯砌正常的使用功能；研發(fā)巖爆微震監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，及時(shí)分析和反饋，從而避免巖爆對(duì)隧道設(shè)備與人員的危害；研發(fā)高地溫隧道綜合降溫技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型降溫系統(tǒng)，輔助通風(fēng)、蓄冰降溫等多種措施，全面治理深埋隧道熱害；研發(fā)使用韌性高、磨損性更好的大直徑盤(pán)形滾刀或新型刀具，開(kāi)發(fā)脈沖型水射流、激光、微波、高壓氣體膨脹破巖等TBM輔助破巖技術(shù)，使其應(yīng)用更經(jīng)濟(jì)、破巖效率更高。

4)復(fù)雜海底隧道施工技術(shù)。根據(jù)交通運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃在瓊州海峽、渤海海峽和臺(tái)灣海峽建立3個(gè)通道，擬建隧道長(zhǎng)度分別為28、126、147 km。 穿江越海隧道工程呈現(xiàn)出“高水壓、長(zhǎng)距離、大直徑”的特點(diǎn)，在穿越海底溝谷、風(fēng)化深槽、活動(dòng)斷裂帶、強(qiáng)地震帶和生態(tài)敏感區(qū)時(shí)，極易造成重大災(zāi)難。當(dāng)前的技術(shù)很難滿(mǎn)足上述工程在測(cè)量、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等方面的需求。針對(duì)超長(zhǎng)海底隧道，須重點(diǎn)攻克懸浮隧道、超長(zhǎng)沉管隧道的設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)軟弱圍巖鉆爆隧道安全快速施工、混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命保障、超高水壓防排水及結(jié)構(gòu)體系、超長(zhǎng)區(qū)段運(yùn)營(yíng)通風(fēng)、隧道防災(zāi)救援、智能化運(yùn)載工具等關(guān)鍵課題開(kāi)展科技攻關(guān)[19]。

5)城市地下工程施工技術(shù)。隨著城市地下工程利用越來(lái)越廣，深度不斷增大，土地資源立體空間利用往往與地鐵及既有建(構(gòu))筑物下穿、上跨或直穿相關(guān)，面臨著一系列的施工難題。關(guān)鍵是地下工程面臨著“水、軟、變形難以預(yù)測(cè)”3大技術(shù)難題，要實(shí)現(xiàn)地下工程施工引起的地層位移和變形盡可能控制在允許值之內(nèi)，確保周邊環(huán)境與建(構(gòu))筑物的安全。城市地下空間典型的近接施工技術(shù)包括： 地層凍結(jié)組合系統(tǒng)技術(shù)、盾構(gòu)下穿控制精細(xì)技術(shù)、重疊隧道與樁基組合下穿建筑群技術(shù)、超近距離矩形頂管技術(shù)、穿越密集成片老舊小區(qū)組合技術(shù)、跨地鐵運(yùn)營(yíng)隧道建設(shè)地下空間等。在這些綜合技術(shù)研究方面還需加大投入。

2.1.2 基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展方向

1)施工新材料。隧道和地下工程開(kāi)發(fā)不僅需要依賴(lài)新的設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)，也對(duì)新材料的發(fā)展提出了要求。傳統(tǒng)材料存在的不足會(huì)導(dǎo)致工程效率低、工程效果不佳、后期維護(hù)成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改進(jìn)，新材料研發(fā)可提高工程建設(shè)適應(yīng)性，有助于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。施工新材料主要包括： 新一代高性能混凝土、自愈混凝土、綠色低碳環(huán)保的支護(hù)材料、高效耐久的纖維增強(qiáng)混凝土盾構(gòu)管片、壓注自防水混凝土內(nèi)襯、高可靠性的防水材料等。推進(jìn)功能材料如能源樁、能源土工布、儲(chǔ)能混凝土等的應(yīng)用，以提高綜合效益；探索新一代智能材料，如自修復(fù)材料、智能感知材料等，以提高隧道和地下工程的韌性。

2)施工新技術(shù)。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，重點(diǎn)研究地下施工控制技術(shù)以及環(huán)境生態(tài)保護(hù)措施；深水環(huán)境下，重點(diǎn)研究盾構(gòu)高水壓防水和掘進(jìn)穩(wěn)定技術(shù)，超長(zhǎng)距離隧道通風(fēng)安全救援技術(shù)；城市地下工程重點(diǎn)研究新型機(jī)械化施工、綠色施工技術(shù)以及環(huán)境協(xié)同技術(shù)。積極研究發(fā)展面向未來(lái)地下施工，集精準(zhǔn)探測(cè)、超前預(yù)報(bào)、信息感知、先進(jìn)破巖、數(shù)字孿生等于一體的系統(tǒng)性智能技術(shù)。綜合多學(xué)科，推進(jìn)巖土工程的自動(dòng)化、信息化和智能化；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊、大數(shù)據(jù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸與分析；通過(guò)數(shù)字化傳感、微機(jī)電MEMS、高精度陀螺儀、無(wú)人機(jī)、光纖傳感、北斗等感知技術(shù)進(jìn)行地下工程監(jiān)測(cè)；通過(guò)BIM、GIS、數(shù)字孿生等技術(shù)建立地質(zhì)信息與地下工程的三維可視化施工，由此實(shí)現(xiàn)智能感知、正確判斷、快速反應(yīng)、有效執(zhí)行。

2.1.3 補(bǔ)齊短板技術(shù)發(fā)展方向

1)隧道和地下空間勘察新技術(shù)。未來(lái)應(yīng)根據(jù)隧道和地下工程地質(zhì)特點(diǎn)及各勘察技術(shù)的特征和適用性，引入先進(jìn)的人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，加強(qiáng)“高分+北斗”融合技術(shù)的深入應(yīng)用，發(fā)展空天地一體數(shù)字化勘測(cè)技術(shù)、巖石視覺(jué)識(shí)別技術(shù)、智能物探技術(shù)和數(shù)據(jù)高效解譯技術(shù)、高效精準(zhǔn)取芯鉆探技術(shù)，尤其是高精度全息水平取芯鉆探技術(shù)、智能數(shù)字成像識(shí)別技術(shù)以及智能原位測(cè)試技術(shù)，注重多元勘察技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的融合與協(xié)同應(yīng)用，構(gòu)建“數(shù)字孿生”的隧道和地下工程勘察信息平臺(tái)。隧道和地下工程綜合勘察新技術(shù)如表1所示。

表1 隧道和地下工程綜合勘察新技術(shù)

2)隧道和地下工程設(shè)計(jì)新理論。研究地質(zhì)體、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的物理性質(zhì)和變形協(xié)調(diào)關(guān)系，探索開(kāi)挖擾動(dòng)疊加效應(yīng)和時(shí)空效應(yīng)下多場(chǎng)、多尺度“地層-結(jié)構(gòu)-環(huán)境”耦合機(jī)制；研究高地應(yīng)力、高烈度震區(qū)、高地?zé)帷⒏咴瓗r溶、深大活動(dòng)斷裂帶等惡劣地質(zhì)條件下的地下工程災(zāi)變機(jī)制；研究復(fù)雜條件下大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離安全掘進(jìn)理論、高水壓盾構(gòu)隧道防水控制機(jī)制等問(wèn)題。在理論上，經(jīng)典土力學(xué)難以滿(mǎn)足深基坑土體復(fù)雜多變的物理特性需求，應(yīng)考慮應(yīng)力路徑的作用，土的各向異性、流變性、擾動(dòng)特性，土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用等。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)加強(qiáng)發(fā)展基坑變形控制理論；研究深層地下空間環(huán)境相關(guān)的理論和設(shè)計(jì)體系，深層地下結(jié)構(gòu)在突發(fā)因素和長(zhǎng)期作用下的破壞和劣化機(jī)制；研究復(fù)雜地質(zhì)條件災(zāi)變機(jī)制，通過(guò)將大數(shù)據(jù)與人工智能有機(jī)結(jié)合，把握結(jié)構(gòu)體與巖土體多場(chǎng)耦合理論，進(jìn)一步研究不良地質(zhì)掘進(jìn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

2.1.4 體系發(fā)展戰(zhàn)略研究

1)智能施工技術(shù)體系。面向工程產(chǎn)品全生命期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化建造，即根據(jù)工程建造要求，通過(guò)智能化感知、人機(jī)交互、決策實(shí)施，實(shí)現(xiàn)工程立項(xiàng)、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程的信息、傳感、機(jī)器人和建造技術(shù)的深度融合，形成在基于互聯(lián)網(wǎng)的信息化工作平臺(tái)的管控下，按照數(shù)字化設(shè)計(jì)的要求，在既定的時(shí)空范圍內(nèi)，通過(guò)功能互補(bǔ)的機(jī)器人完成各種工藝操作的建造方式[20]。健全、完善地下空間精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)體系，在全域資源觀(guān)指導(dǎo)下，協(xié)調(diào)地上空間與地下空間規(guī)劃的關(guān)系，基于大數(shù)據(jù)分析提出地下空間可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。研究融合復(fù)雜服役環(huán)境的地下工程裝備數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)及智能施工機(jī)器人和自動(dòng)作業(yè)類(lèi)腦控制器技術(shù)，發(fā)展人機(jī)協(xié)調(diào)、自主學(xué)習(xí)的智能裝備。研究基于數(shù)字孿生的工程建設(shè)進(jìn)度管控及施工優(yōu)化技術(shù)，以及基于BIM+互聯(lián)網(wǎng)智能感知采集、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的“地-隧-機(jī)-人”智能化協(xié)同管理控制系統(tǒng)。

2)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層次來(lái)看，國(guó)家層面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，且大多數(shù)限于開(kāi)發(fā)利用與規(guī)劃管理方面；從行業(yè)類(lèi)型來(lái)看，以地下停車(chē)庫(kù)、地下管廊、人防工程、軌道交通等設(shè)施的建設(shè)與管理為主，地下空間多門(mén)類(lèi)工程建造施工技術(shù)還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。圍繞復(fù)雜地質(zhì)條件的建設(shè)、復(fù)雜環(huán)境保護(hù)、深層地下空間開(kāi)發(fā)、地下空間設(shè)施安全運(yùn)維和更新改造等難題，應(yīng)加緊相關(guān)理論的研究，著手編制超深復(fù)雜地質(zhì)條件下的基坑工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為基坑工程向復(fù)雜超深方向發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

目前，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于施工和安全方面的標(biāo)準(zhǔn)還很缺乏。因此，需要制定以下相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)： 掘進(jìn)機(jī)施工環(huán)境與安全標(biāo)準(zhǔn)、豎井掘進(jìn)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、超挖控制標(biāo)準(zhǔn)、針對(duì)大型機(jī)械化施工的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)配套機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、針對(duì)隧道工程建設(shè)相應(yīng)的機(jī)械化裝藥標(biāo)準(zhǔn)等，形成集地下空間規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、防災(zāi)減災(zāi)以及環(huán)境保護(hù)為一體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

3)工程管理體系。隨著我國(guó)地下空間大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，地下空間開(kāi)發(fā)的質(zhì)量安全、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、生態(tài)環(huán)保等問(wèn)題凸顯。主要存在質(zhì)量安全體制機(jī)制不健全，質(zhì)量安全管理投入不足，施工單位質(zhì)量安全監(jiān)管能力落后，風(fēng)險(xiǎn)管理監(jiān)控內(nèi)容和流程不規(guī)范，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與決策分析的認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)管控意識(shí)不強(qiáng)，環(huán)保組織管理松散，跨區(qū)域協(xié)同治理生態(tài)機(jī)制未建立等問(wèn)題。亟需健全地下空間質(zhì)量安全法律法規(guī)體系，建立質(zhì)量安全行政管理機(jī)構(gòu)，提高地下空間質(zhì)量安全管理標(biāo)準(zhǔn)；健全安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理體系，建立預(yù)警預(yù)案，實(shí)施動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理，加快監(jiān)管和風(fēng)險(xiǎn)防控系統(tǒng)研究；健全地下空間開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)保體系，構(gòu)建地下空間開(kāi)發(fā)綠色發(fā)展政策體系，強(qiáng)化政策監(jiān)督保障作用，建立地下空間開(kāi)發(fā)環(huán)境治理機(jī)構(gòu)，嚴(yán)密防控環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 我國(guó)隧道和地下工程裝備發(fā)展方向

2.2.1 中長(zhǎng)期發(fā)展方向

1)綠色制造裝備?！爸袊?guó)制造2025”要求組織實(shí)施好綠色制造工程，因而對(duì)于我國(guó)的地下工程裝備，發(fā)展綠色制造是未來(lái)的必由之路。尤其是地下工程裝備體積大、質(zhì)量大、用材多、能源消耗大且掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)有大量渣土與污染源排出，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)施綠色制造的大趨勢(shì)下，地下工程裝備的綠色制造將是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向。未來(lái)，我國(guó)的隧道和地下工程建設(shè)及其裝備研制需要在國(guó)家有關(guān)部委的指導(dǎo)下，通過(guò)國(guó)家綠色制造系統(tǒng)集成項(xiàng)目的實(shí)施，開(kāi)創(chuàng)我國(guó)施工裝備的全生命周期綠色再制造新模式，推動(dòng)我國(guó)施工裝備綠色再制造產(chǎn)業(yè)化，完善我國(guó)大型施工裝備綠色再制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，最終有效推動(dòng)我國(guó)隧道和地下工程裝備再制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

2)全生命周期的智能制造。為應(yīng)對(duì)第4次工業(yè)革命，我國(guó)將推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合作為“中國(guó)制造2025”9項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)之一。提出把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平。隧道和地下工程裝備通過(guò)智能設(shè)計(jì)、智能制造、智能掘進(jìn)以及智能運(yùn)維等手段，對(duì)相關(guān)施工裝備整個(gè)生命周期進(jìn)行有效管理，以獲得裝備生命周期費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)、設(shè)備綜合產(chǎn)能最高的理想目標(biāo)，是我國(guó)隧道和地下工程建設(shè)技術(shù)裝備的發(fā)展方向之一[21]。

今后，我國(guó)隧道和地下工程裝備的制造要向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、系統(tǒng)集成及精益生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)與虛擬仿真方向發(fā)展。掘進(jìn)是裝備全生命周期中的核心過(guò)程，結(jié)合了數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、云計(jì)算平臺(tái)和智能決策的智能掘進(jìn)技術(shù)是未來(lái)施工裝備的主要發(fā)展方向之一；在掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)掘進(jìn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，如掘進(jìn)過(guò)程中的智能糾偏，是實(shí)現(xiàn)裝備全生命周期閉環(huán)控制的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；跀?shù)字化的運(yùn)行管理平臺(tái)可以將盾構(gòu)等的工作過(guò)程形成標(biāo)準(zhǔn)的工作流，以大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)健康評(píng)估和故障診斷。遠(yuǎn)程智能運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)和行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接了整套施工裝備的終端和云端。

3)極端山嶺地區(qū)地下工程裝備。山嶺隧道工程環(huán)境復(fù)雜、極端，高壓、高地應(yīng)力、高地溫、極硬和極軟等極端工況限制了通用性的地下工程裝備的應(yīng)用，對(duì)地下工程裝備在可靠性、先進(jìn)性、環(huán)保性等方面提出了更高、更嚴(yán)苛的要求，為裝備可靠性和適應(yīng)性帶來(lái)新挑戰(zhàn)、新難題。因此，加快推進(jìn)極端工況下地下工程裝備顛覆性創(chuàng)新，提高施工裝備的適應(yīng)性、可靠性勢(shì)在必行，亟需研發(fā)新一代的地下工程裝備，如異形巖石掘進(jìn)裝備、超硬巖施工裝備、軟巖大變形施工裝備、高海拔施工裝備等。

針對(duì)高地?zé)岬乃淼拉h(huán)境下設(shè)備正常運(yùn)行的需求，亟需對(duì)電氣、液壓等系統(tǒng)選型、散熱做特殊設(shè)計(jì)，進(jìn)行局部設(shè)備、部件或局部作業(yè)區(qū)域降溫研究；針對(duì)高地應(yīng)力產(chǎn)生的巖爆現(xiàn)象，利用微震檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)圍巖工程動(dòng)力型災(zāi)害進(jìn)行24 h不間斷檢測(cè)，為圍巖穩(wěn)定性評(píng)估和巖爆災(zāi)害預(yù)警提供依據(jù)；針對(duì)極硬巖地下空間施工，為進(jìn)行極硬巖施工過(guò)程巖爆的防控，可在TBM刀盤(pán)的輻條上預(yù)設(shè)圓孔，圓孔穿入帶水刀噴頭的鋼質(zhì)水管，當(dāng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)高時(shí)，通過(guò)水刀切割深槽釋放圍巖壓力。

4)海域地下空間開(kāi)挖裝備。海域地下空間開(kāi)挖裝備面臨著設(shè)備抗壓密封難、掌子面穩(wěn)定難、刀具更換難、深地遠(yuǎn)海垂直鉆探難等問(wèn)題，亟待突破高壓密封、土-泥-水多相平衡、隨鉆原位測(cè)量等技術(shù)，開(kāi)發(fā)海域可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)的全斷面掘進(jìn)裝備、深地遠(yuǎn)海隨鉆探測(cè)裝備等海域隧道和地下空間開(kāi)發(fā)新裝備。

其次，針對(duì)超大埋深、超高水壓、超大斷面及地質(zhì)復(fù)雜多變的海域地下空間建設(shè)需求，需要重點(diǎn)研究高效破巖的長(zhǎng)壽命刀盤(pán)刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、超高水壓條件下盾構(gòu)防水密封設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、大功率高性能節(jié)能環(huán)保型變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、高水壓大斷面掘進(jìn)施工技術(shù)；針對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境可能存在極端的換刀環(huán)境，需要實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下盾構(gòu)刀具更換，保證其長(zhǎng)距離和高水壓狀態(tài)下順利掘進(jìn)；針對(duì)海底隧道施工需求和面對(duì)的問(wèn)題，研究泥水/TBM雙模式掘進(jìn)機(jī)總體集成技術(shù)，泥水和TBM模式刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與性能最優(yōu)匹配、開(kāi)挖壓力平衡控制技術(shù)，皮帶機(jī)和泥漿管路集成布局及模式快速切換技術(shù)，管片和箱涵高效拼裝以及推進(jìn)、拼裝同步技術(shù)。

5)城市地下空間施工裝備。城市地下管廊建設(shè)升級(jí)、超大直徑綜合交通隧道建設(shè)、深層地下綜合體開(kāi)發(fā)等要求城市地下工程裝備靈活、施工一體化程度高、復(fù)雜地質(zhì)適應(yīng)強(qiáng)、施工過(guò)程擾動(dòng)低。亟待開(kāi)發(fā)老舊管道更新與維護(hù)裝備、超大斷面一次成型裝備、深層大平面地下施工裝備等，以滿(mǎn)足未來(lái)城市地下工程施工需求。

針對(duì)城市地下復(fù)雜環(huán)境，通過(guò)成套設(shè)備的研制與應(yīng)用，構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境下城區(qū)地下工程自動(dòng)化高效施工的完整施工裝備軟硬件體系，攻克傳統(tǒng)施工裝備功能單一、集約化程度低的問(wèn)題。其中對(duì)于盾構(gòu)裝備，需要開(kāi)發(fā)靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多段拼接的盾構(gòu)裝備；實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備多維度同時(shí)掘進(jìn)，增大其施工效率，減小施工過(guò)程對(duì)城市地表活動(dòng)的影響；配備施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，完善數(shù)據(jù)庫(kù)，利用人工智能實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的自動(dòng)化施工；裝備的盾構(gòu)刀盤(pán)配備多種旋轉(zhuǎn)方式，且有多種刀具，即實(shí)現(xiàn)一盤(pán)多刀、多模式，增強(qiáng)刀盤(pán)對(duì)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，增強(qiáng)其工作能力。在城市深層大平面的地下空間開(kāi)發(fā)裝備中，由于其埋深較大，對(duì)于裝備的抗壓能力有更高的要求。因此，需要加強(qiáng)裝備的整體穩(wěn)定性，提高各部件的質(zhì)量，以延長(zhǎng)其工作周期；在深地空間中，超大型、靈活性差的裝備在施工前后到達(dá)指定位置難度較大，因此裝備必將向精簡(jiǎn)化、可分解、可拼接的方向發(fā)展。

2.2.2 基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究

1)新材料技術(shù)。面對(duì)新工況、新裝備，著力研究高強(qiáng)、高韌合金材料，耐磨材料，新型密封材料，渣土改良及混凝土添加劑，新型加工工藝等，提高設(shè)備適應(yīng)性與可靠性。

2)流體科學(xué)與技術(shù)。開(kāi)展重載高精度電液控制技術(shù)、長(zhǎng)距離壓力穩(wěn)定控制技術(shù)、高端液壓元件設(shè)計(jì)理論研究。

3)新型地質(zhì)探測(cè)技術(shù)。重點(diǎn)考慮深部巖體構(gòu)造及力學(xué)特性的精細(xì)測(cè)量技術(shù)，關(guān)注深部巖體工程地應(yīng)力有效測(cè)量方法與測(cè)量?jī)x器設(shè)備的研制發(fā)展方向，提出深部地下空間開(kāi)發(fā)中實(shí)用測(cè)量技術(shù)的主流發(fā)展方向。

4)復(fù)雜工況構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)。基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，開(kāi)展復(fù)雜工況下的機(jī)制建模、可靠性設(shè)計(jì)與輕量化設(shè)計(jì)等方法研究，掌握地下裝備巖機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法。

5)新型破巖技術(shù)。針對(duì)鉆具極易損壞、施工成本增高、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，利用高端先進(jìn)技術(shù)，如水射流系統(tǒng)、微波發(fā)生器等，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新破巖技術(shù)，是提高破巖效率、降低施工成本的重要手段。

6)深海、深地探測(cè)技術(shù)。地球物理勘探主要技術(shù)有重磁探測(cè)技術(shù)，電法及電磁探測(cè)技術(shù)，地震勘探、鉆探及測(cè)井勘探和放射性勘探技術(shù)等?？碧椒秶鷱年懙刈呦蚝Ｑ?，并且由近海探測(cè)技術(shù)向深遠(yuǎn)海探測(cè)技術(shù)發(fā)展。

7)智能化技術(shù)。目前我國(guó)地下工程裝備智能化水平整體不高，智能化過(guò)程缺乏核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力，存在感知難和感知被動(dòng)、地下測(cè)量不準(zhǔn)和無(wú)法糾偏導(dǎo)致的測(cè)控難、缺乏決策系統(tǒng)導(dǎo)致的效率低等問(wèn)題。為此，亟待研發(fā)面向極端施工條件的智能傳感器檢測(cè)技術(shù)、適應(yīng)復(fù)雜施工環(huán)境的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能集群掘進(jìn)技術(shù)以及地下工程裝備智能運(yùn)維技術(shù)。隧道和地下工程裝備核心基礎(chǔ)技術(shù)見(jiàn)表2。

表2 隧道和地下工程裝備核心基礎(chǔ)技術(shù)

2.2.3 補(bǔ)齊短板發(fā)展戰(zhàn)略研究

目前，我國(guó)高端地下工程裝備企業(yè)占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的90%和全球市場(chǎng)的2/3，實(shí)現(xiàn)從填補(bǔ)空白、替代進(jìn)口，到批量出口海外的大逆轉(zhuǎn)。除了市場(chǎng)占有率的提升，在技術(shù)上也實(shí)現(xiàn)從打破壟斷到全球領(lǐng)先的大轉(zhuǎn)變。然而，在我國(guó)隧道和地下工程裝備取得重大突破的同時(shí)，仍存在一些重點(diǎn)短板技術(shù)亟待解決。

1)核心關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。研究性能衰退與失效機(jī)制、數(shù)字化試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)、監(jiān)測(cè)診斷與性能預(yù)測(cè)算法及相關(guān)組件開(kāi)發(fā)，解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷與性能預(yù)測(cè)方法實(shí)時(shí)性差、精度低的問(wèn)題；開(kāi)發(fā)云邊協(xié)同智能傳感終端，實(shí)現(xiàn)地下環(huán)境下裝備狀態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)；開(kāi)發(fā)施工裝備狀態(tài)預(yù)警與故障診斷算法組件，實(shí)現(xiàn)裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維。

2)核心部件國(guó)產(chǎn)化。針對(duì)我國(guó)地下工程裝備的主軸承、減速機(jī)、密封系統(tǒng)、高端液壓元件、電氣控制部件等關(guān)鍵元器件依賴(lài)進(jìn)口情況，開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化研制工作。

3)隧道和地下工程裝備正向設(shè)計(jì)方法。在復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜載荷等綜合條件下，隧道和地下工程裝備設(shè)計(jì)理論尚不完備，急需實(shí)現(xiàn)重大裝備研制從逆向工程向原始創(chuàng)新為特征的正向設(shè)計(jì)跨越，研究面向復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜載荷等工況的隧道和地下工程裝備正向設(shè)計(jì)技術(shù)，形成隧道和地下工程裝備正向研發(fā)創(chuàng)新能力。

2.2.4 產(chǎn)業(yè)布局發(fā)展戰(zhàn)略研究

1)打造世界一流的隧道和地下工程裝備領(lǐng)軍企業(yè)。領(lǐng)軍企業(yè)在行業(yè)中的帶頭作用非常重要，其在技術(shù)創(chuàng)新能力、經(jīng)營(yíng)模式、管理模式、競(jìng)爭(zhēng)模式以及對(duì)品牌的創(chuàng)建和維護(hù)上，都無(wú)形中對(duì)行業(yè)起著示范和引領(lǐng)作用[25]。我國(guó)隧道和地下工程裝備產(chǎn)業(yè)要緊緊抓住培育具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的世界一流企業(yè)這個(gè)目標(biāo)，加快形成一批在國(guó)際資源配置中能夠逐步占據(jù)主導(dǎo)地位的領(lǐng)軍企業(yè)，加快形成一批在全球行業(yè)發(fā)展中具有引領(lǐng)作用的領(lǐng)軍企業(yè)，加快形成一批在全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有話(huà)語(yǔ)權(quán)和影響力的領(lǐng)軍企業(yè)。

2)打造核心關(guān)鍵部件產(chǎn)業(yè)集群。產(chǎn)業(yè)集群有助于形成外部規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低交易成本。隧道和地下工程裝備產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵部件集群帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)必將有效地促進(jìn)隧道和地下工程裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[26]。隧道和地下工程裝備關(guān)鍵部件產(chǎn)業(yè)是工程裝備產(chǎn)業(yè)的上游，為其發(fā)展提供強(qiáng)大基礎(chǔ)。隧道和地下工程裝備關(guān)鍵部件產(chǎn)業(yè)集群要更好更快地發(fā)展，需培育集群核心企業(yè)，帶動(dòng)核心關(guān)鍵部件產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展，培育產(chǎn)業(yè)內(nèi)市場(chǎng)和品牌；建立和完善激勵(lì)政策，鼓勵(lì)企業(yè)對(duì)高新科技及關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和投入，帶動(dòng)集群內(nèi)企業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)。

3)打造高端配套產(chǎn)業(yè)集群。打造隧道和地下工程裝備高端配套產(chǎn)業(yè)集群需要引導(dǎo)配套企業(yè)加強(qiáng)與龍頭企業(yè)的合作，依靠龍頭企業(yè)帶動(dòng)配套企業(yè)，通過(guò)龍頭企業(yè)的上下游配套和兩頭延伸，形成比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，形成多品種、多品牌、多渠道、多層次、全方位的配套企業(yè)集群。發(fā)展高端配套產(chǎn)業(yè)集群是隧道和地下工程裝備做全產(chǎn)業(yè)鏈條的需要。打造隧道和地下工程裝備高端配套產(chǎn)業(yè)集群需按照“優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品—龍頭企業(yè)—優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)集群”的模式，以隧道和地下工程裝備配套為突破口，遵循市場(chǎng)規(guī)律，突出企業(yè)積極性；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)，加快對(duì)高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)的自主研發(fā)和引進(jìn)步伐，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3 相關(guān)建議

3.1 出臺(tái)有關(guān)新型施工裝備示范應(yīng)用的政策文件

建議由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等牽頭聯(lián)合相關(guān)部委，出臺(tái)有關(guān)隧道和地下工程新型施工裝備示范應(yīng)用的政策文件，修訂設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收規(guī)范；在國(guó)家重大基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目中，設(shè)置一定比例的裝備創(chuàng)新、工法創(chuàng)新應(yīng)用指標(biāo)，打開(kāi)新型隧道施工裝備、工法的示范應(yīng)用通道，提高企業(yè)創(chuàng)新積極性。

3.2 合理開(kāi)發(fā)利用地下空間，發(fā)展綠色施工助力“雙碳”行動(dòng)

合理開(kāi)發(fā)利用地下空間，將可以轉(zhuǎn)入地下的設(shè)施盡可能建于地下，實(shí)現(xiàn)節(jié)地要求；開(kāi)展地?zé)崮茉囱芯颗c開(kāi)發(fā)利用，積極開(kāi)發(fā)淺中層溫泉地?zé)崮芎蜕顚痈蔁釒r地?zé)崮?，發(fā)展地?zé)崂眉夹g(shù)；大力發(fā)展綠色施工技術(shù)，在工程建造過(guò)程中最大限度地節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，以綠色發(fā)展為主線(xiàn)，全面深入地推動(dòng)綠色施工技術(shù)、裝配式建筑的實(shí)踐，推動(dòng)示范工程，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

3.3 開(kāi)發(fā)盾構(gòu)裝備設(shè)計(jì)制造和施工的智能化技術(shù)

隨著隧道和地下工程向“深、長(zhǎng)、大”方向發(fā)展，整個(gè)裝備的設(shè)計(jì)制造和操控變得越來(lái)越龐大和復(fù)雜，單純依靠人的決策難以做到安全、可靠和經(jīng)濟(jì)，需要集成當(dāng)代人工智能和感知等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)更加安全、高效的智能隧道掘進(jìn)裝備。關(guān)鍵技術(shù)包括： 多信息融合的掘進(jìn)狀態(tài)感知與掘進(jìn)性能量化評(píng)價(jià)、掘進(jìn)歷史數(shù)據(jù)挖掘與分析、基于人工智能的掘進(jìn)參數(shù)自學(xué)習(xí)與決策、掘進(jìn)參數(shù)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)控、掘進(jìn)機(jī)多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與決策優(yōu)化等。

3.4 開(kāi)發(fā)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境隧道施工新工法和新裝備

隨著超級(jí)工程所規(guī)劃的山嶺和海底隧道長(zhǎng)度及斷面的增大，地質(zhì)條件不可避免地會(huì)呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，單一的開(kāi)挖面平衡及隧道壁支護(hù)方式難以適應(yīng)，給施工安全、進(jìn)度和工程成本等都帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。需要集成高強(qiáng)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)地質(zhì)適應(yīng)性更強(qiáng)的多功能、多模式全斷面隧道掘進(jìn)裝備，其關(guān)鍵技術(shù)包括： 多模式護(hù)盾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及切換控制技術(shù)、多模式開(kāi)挖面壓力平衡及其控制技術(shù)、高強(qiáng)度隧道壁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其拼裝技術(shù)、非圓斷面TBM技術(shù)、廣譜渣土改性技術(shù)，盾構(gòu)法施工大跨度、多層地鐵車(chē)站和地下停車(chē)場(chǎng)技術(shù)等。

3.5 開(kāi)發(fā)極端工況條件下的隧道施工新型裝備

現(xiàn)有盾構(gòu)和TBM技術(shù)可以順利在軟土地層或一般的巖層中掘進(jìn)，但在穿越海底溝谷、風(fēng)化深槽、活動(dòng)斷裂帶、強(qiáng)地震帶和生態(tài)敏感區(qū)時(shí)，極易造成重大災(zāi)難；在遭遇特硬巖、高地溫、強(qiáng)蝕變、大變形、有害氣體、高放射性等極端工況時(shí)，掘進(jìn)機(jī)常常被困。未來(lái)的瓊州海峽、臺(tái)灣海峽、渤海海峽都面臨極具難度的隧道工程建設(shè)，需要開(kāi)發(fā)極端工況條件下的新型隧道施工裝備技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括： 針對(duì)特硬巖的新型破巖技術(shù)，針對(duì)超高水壓(>2 MPa)的盾尾及主驅(qū)動(dòng)密封技術(shù)，高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕隧道支護(hù)陶瓷材料，超大斷面(刀盤(pán)直徑大于15 m)隧道及時(shí)支護(hù)技術(shù)，異形硬巖掘進(jìn)機(jī)，新型開(kāi)挖面實(shí)時(shí)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)防滲技術(shù)等。

3.6 加快城市地下工程關(guān)鍵核心技術(shù)和重大裝備攻關(guān)

瞄準(zhǔn)我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用施工難點(diǎn)，應(yīng)對(duì)淺埋、富水、不良地質(zhì)等重大挑戰(zhàn)，面向信息化、綜合化、綠色化和分層化的發(fā)展要求，識(shí)別城市地下空間開(kāi)發(fā)利用和工程裝備的核心基礎(chǔ)技術(shù)和重點(diǎn)短板技術(shù)，構(gòu)建地下空間開(kāi)發(fā)利用技術(shù)體系，優(yōu)化工程裝備產(chǎn)業(yè)布局，并納入國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃和裝備制造業(yè)專(zhuān)項(xiàng)中。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)隧道建設(shè)和地下空間開(kāi)發(fā)在數(shù)量、質(zhì)量方面都得到了快速發(fā)展，為該領(lǐng)域提供了足夠的實(shí)踐案例和數(shù)據(jù)支持。如火如荼的“新基建”給隧道建設(shè)和地下空間開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的機(jī)遇，新理念、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，新一輪隧道建設(shè)和地下空間開(kāi)發(fā)革命即將到來(lái)。本文提出了未來(lái)我國(guó)隧道和地下工程施工技術(shù)與裝備發(fā)展方向及相關(guān)建議，以推進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，支撐我國(guó)重大工程建設(shè)。